对谐波电流抑制技术的研究

第３９卷增刊　天津大学学报　Ｖｏ１．３９　Ｓｕｐｐ１．　２００６年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｊｕｎ．２００６　对谐波电流抑制技术的研究　何　宏　，靳世久　，朱先伟　，汤　璐　（１．天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２；　２．天津理工大学天津市薄膜电子与通信器件实验室ｉ天津３００１９１）　摘要：从理论上分析了电器及电子设备谐波电流产生的原因，阐述了抑制谐波电流的方法．通过测量磁性磁芯　电感器的插入损耗，进而得出材料的有效磁导率．给出了ＥＭＩ电源滤波器用电感器的高频等效电路模型，提出了一　种获得磁芯材料特性的参数分析法．　关键词：谐波电流；抑制技术；电感；插人损耗；有效磁导率　中图分类号：ＴＭ５５２　文献标志码：Ａ　文章编号：０４９３—２１３７（２００６）增刊　０１６８—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ＨＥ　Ｈｏｎｇ　，ＪＩＮ　Ｓｈｉ－ｊｉｕ　，ＺＨＵ　Ｘｉａｎ—ｗｅｉ。，ＴＡＮＧ　Ｌｕ。　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｆｉｌｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１９１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｔｈｅ　ｃａｕｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅｏｒｙ．　Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ａｒｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｆｒｏｍ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｃｏｒｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂｙ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｓｅｒｔ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｆｅｒｒｉｔｅ　ｃｏｒｅ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｅｒ—　ｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ；ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ；ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ；ｉｎｓｅｒｔ　ｌｏｓｓ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　１　谐波电流产生的原因　整流后电压波形　０。。　…　供电回路中的电流波形不仅与供电电源电压波形　有关，也与电源的负载性质有关．在电源电压为纯正弦　波的情况下，阻性负载、感性负载或容性负载以及它们　组合而成的负载电流为　ｉ＝／ｓｉｎ（ｔｏｔ±币）　（１）　图１整流电路的电压、电流波形　这类负载的电流波形仍为正弦波，其谐波电流应　为零．但是对一些具有整流电路的电子产品，其电流波　到峰值前后的一段时问内不为零，在其它时间电流为　形却与之不同．它们的电压和电流之间的关系更为复　零．由于它是周期与电源周期相同的电流脉冲，因而具　杂ｌｌ　Ｊ，图１所示是这类电路典型的电压电流波形图．　有丰富的谐波分量．电源电路会引起这种电流波形的　具有整流电路的电子产品，其电流仅在线电压达　必要因素有二个：一是有整流电路；二是整流后有大的　收稿日期：２００６—０２—２４；修回日期：２００６—０４—２９．　基金项目：天津市自然科学基金资助项目（Ｏ５ＹＦＪＭＪＣ１３１００）．　作者简介：何宏（１９６ｏ一　），女，博士，教授．ｈｅｈｏ６０４３００＠１２６．ｃｏｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

２ｏｏ６年６月　何宏等：对谐波电流抑制技术的研究　。１６９・　滤波电容．整流电路中的二极管起着开关作用，当电源　电压大于滤波电容两端的电压时，二极管导通，供电电　源对电容充电并提供负载电流；其余时间二极管截止，　负载依靠电容的贮能供电，表现在供电电源一侧的电　流为零　Ｊ．图２是一个典型的整流电路．峰值电流的大　小与滤波电容和负载的大小有关．　÷　Ｊ：　／、　／、Ｉ　Ｔ　波电容　负载　图２典型的整流电路　实际上，图２所示的整流方法使得用电器具仅在　电源瞬时电压处于峰值附近，电源瞬时电压超过电容　两端电压时才从电网汲取电流，这就形成了在电源电　压峰值附近与电压周期相同的高峰值充电电流脉冲．　这种电源电路在电网中引起了较高的电流谐波，并使　功率因数降低．　２非正弦波形的功率消耗　电压和电流波形为正弦波，假如功率因数为　ＣＯＳ　，则瞬时功率Ｐ（ｔ）和平均功率Ｐ由下式计算得　出：　Ｐ（￡）＝Ｖｃｏｓ（Ｏ）ｔ）×／ｃｏｓ（ｔｏｔ一咖）　Ｐ（ｆ　＝　Ｖ×，［ＣＯＳ　＋ＣＯＳ（２ｃｏｔ一　２　Ｐ＝Ｖ×』×ＣＯＳ击　非正弦电压、电流波形利用傅里叶变换可将瞬时　电压和电流波形表达成各种谐波分量的和．　∞　Ｖ（ｔ）＝√２　ｌ，＾ｓｉｎ（　Ｈ　＾）　ｈ＝１　∞　，（ｔ）＝√２　，＾ｓｉｎ（　￡＋犀＾）　ｈ＝１　式中：Ｖ（ｔ）和，（ｔ）为电压电流的瞬时值；　和，＾为电　压和电流的有效值；　和　为电压和电流的相位．　实际功率可以表达为基波的实际功率Ｐ　和谐波　的实际功率Ｐ　之和，即Ｐ＝Ｐ　＋Ｐ　．这里　Ｐｌ＝：Ｖ１×，１　ＣＯＳ咖１，咖１＝　１一犀１　∞　ＰＨ：＝＞　ｌ，＾×ｌｈＣＯＳ　＾＝　＾一卢＾　＾：２　所以，非正弦波信号的功率由基波信号的功率和各次　谐波信号的功率之和组成，由上述公式可以看出，只有　谐波的电压、电流均存在的情况下，谐波的功率才不为　零．在谐波测试系统中，由于测试功率源为纯净的电压　源，在这种条件下用电能表测得的实际消耗功率仅是　基波的功率．　谐波电流的大小可用均方根值表示：　—　——一　√　）　ｄ　基波的功率除以均方根电流与电压的乘积可得到　非正弦电流情况下的功率因数ＰＦ．所以由谐波电流引　起的功率因数降低并不是由电压、电流相位差引起的，　而是由电流波形的畸变引起的．　３抑制谐波电流的措施　抑制谐波电流的措施是采用谐波抑制电感器，　图３是一种典型的电路．　图３谐波抑制电感器的典型应用电路　谐波抑制电感器外形如同变压器，铁蕊呈“目”字　形，由两个基本相同的绕组组成．外层铁蕊组成封闭的　磁路，有减少漏磁的作用．另外，谐波抑制电感器还可　以用在ＥＭＩ滤波器前．此时应注意，由于电路振荡，容　易引起高次谐波电流不合格，如高次谐波电流过大则　可通过调节ＥＭＩ滤波器的参数或附加吸收电路来消　除振荡　．　４谐波抑制电感器磁芯材料特性参数分析法　对谐波抑制电感器的选择用有效磁导率　来评　定或分析磁性材料的实际特性．　２　，＾、　ｚ　ｅ　式（２）中：　ｉ是初始磁导率；ｆ。为磁芯的有效磁路长度，　ｃｍ；ｆ　为气隙长度．　有效磁导率　与电感￡的关系为　４，ｒｒＮ２Ａ￣：　—一丁ｘ　１０－９（　）　（３）　ｅ　式（３）中：／、ｒ为线圈匝数；Ａ　为磁芯的有效截面积，　ｃｍ　；２　为磁芯的有效磁路长度，ｃｍ．　．由式（３）可知，电感器的电感值取决于磁芯的物　理特性（电感器的几何尺寸）与磁芯材料的有效磁导　率，即通过考察电感器的电感值来推测磁芯材料的特　维普资讯 http://www.cqvip.com

・ｌ７Ｏ・　天　津　大　学　学　报　第３９卷增刊　性．低频时，电感器性能稳定，不受分布参数的影响．然　而高频时，器件受分布参数的影响导致器件性能发生　变化　．　电感器，其转移参数矩阵　Ａ　［　因此要考察谐波抑制电感器磁芯材料的特性，可　从两方面考虑：①对于材料在低频下的特性，可以通　过测量其电感值来对比不同材料问的差异；②对于材　料在高频下的特性，可以通过测量电感器的插入损耗　实际应用中的电感器￡，其绕制导线中含有直流　电阻Ｒ以及分布电容　，因此在某些频率上会发生并　联谐振　．实际电感器的高频等效电路如图５所示．　值来确定，　４．１　电感器的插入损耗　电感器的插入损耗ＩＬ（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ）定义为：没有　电感器接入时，从源端传输到负载端的功率Ｐ　和接入　电感器后，从源端传输到负载端的功率Ｐ：之比，用ｄＢ　（分贝）表示，电感器接入前、后的电路如图４（ａ）、（ｂ）　所示．　（ａ）　（ｂ）　图４电感器插入损耗示意　由定义有：　ＩＬ＝１０　ｌｇ　（４）　儿＝１　Ｌ＝－。　ｇ　０１ｇ　￣１／￣Ｌ　１０　＝　ｇ　ｒ　ｌ　＝２０　ｌｇ（５）　由图４（ａ）可得：　＝　（６）　由图４（ｂ）可得：　Ｖ　１＝ａ１１　一１７，１２１２　．　（７）　，１＝ａ２１　一１７，２２１２　（８）　Ｖ　１＝　一１１Ｚ　（９）　＝一，２　（１０）　由以上各式联立解得　（１１）　将　、　代人式（５）得电感器的插入损耗。　２ｏｌｇ｛咝　燮Ｉ（１２）　式中：ｚ　为源端阻抗，Ｉｔ；Ｚ　为负载端阻抗，Ｉｔ；Ｏｌ　、　Ｏｌ　２、Ｏｌ　。、Ｏｌ２２为转移参数矩阵中的４个元素．　４．２　电感器高频等效电路　若设电感器的阻抗为Ｚ，假如从网络端口的角度　来考虑一个电感器，则根据二端口理论可知对于串联　图５实际电感器的高频等效电路　其阻抗　ｚ　ｌＲ　＋ｊｏｇＬ￡ｃ　＋ｊ＋ｊ　一　　ｌ４）　４．３电感器插入损耗ＩＬ与电感值￡的关系　将式（１３）、式（１４）代入式（１２）可得　Ｒ＋　ｊｏ　ＪＬ　ＩＬ＝２０　ｌｇ　＋　＋Ｚ　ｓＺ　Ｌ＋ｚ　ｓ　Ｚｓ＋ＺＬ　（１５）　１）绕组的直流电阻尺　假设构成绕组的导线总长度为ｚ，横截面为Ａ，则　绕组的直流电阻　尺：　（１６）　式中Ｐ　为导线材料的电阻率．对于铜，在２０℃时的Ｐ　值为１．６４×１０　Ｑ・ｍ，电阻率的温度系数为３．９３×　ｌ０　ｃｌＣ～．　若导线的直径为ｄ，每匝平均长度为ｆ　，匝数为　Ⅳ，则式（１６）可以表示为　尺：　＂ｔｒｄ　（Ｑ）一　　（１７）　２）分布电容Ｃ　由于绕组匝问靠近，所以不可避免地产生绕组匝　问的小电容＋所有横跨整个电感器的这些小电容之和　（包括匝间电容和层问电容）统称为分布电容．　对于一层的分布电容　ＣＭ＝０．００８　８　８ｒＳ／ｔ（ｐＦ）　（１８）　式中：Ｓ为层面积，ｍｍ　；ｔ为电介质厚度，ｍｍ；占　为隔　离电介质相对介电常数．　如果使用　层绕组，则总的分布电容　Ｃｐ＝　（１一　１）（ｐＦ）　（１９）　式中ｃ　是第一层绕组的分布电容，按式（１８）计算．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年６月　何宏等：对谐波电流抑制技术的研究　－ｌ７ｌ・　率变化的趋势与“标准”曲线磁导率随频率变化的趋　５算例及结论　∞＂如　∞　如　如　势吻合。导敛这种现象的原　是软磁铁氧体材料特性　图６是用ＡＶ４０３２Ｂ多功能微波频谱分析仪测量　电感器的插入损耗（频率范围２０　ｋＨｚ一，１０　ＭＨｚ），测试　过程中使片Ｉ的信号发生器和频谱分析仪的端阻抗都被　设计成５Ｏ　ｎ，即ＺＳ＝ＺＬ＝５０　ｎ．图７为磁导率随频率　变化的曲线，其中“标准”曲线为厂家提供的与被测磁　芯同种材料的标准环形磁芯的初始磁导率曲线。曲线　①、②为实测的罐形磁芯电感器的有效磁导率，曲线③　为实测的环形磁芯的有效磁导率。　图６　电感器的插入损耗测量值　图７磁导率随频率变化曲线　分析图７可知，环形磁芯（③号）有效磁导率曲线　与“标准”曲线较吻合，即环形磁芯的有效磁导率就等　于其材料的初始磁导率，而同种材料制成的罐形磁芯　（①、②号），其有效磁导率则存在明显不同，但其随频　易受到环境温度、工作时间以及应力分布的影响，另　外，不同磁芯有气隙也有所不同，从而导致非环形磁芯　的有效磁导率并不等刚于材料的初始磁导率，而且单　独器件的有效磁导率也彼此　同．　电流谐波的大小与所用的电感量有关，电感越大，　谐波抑制得愈充分，但太大的电感会引起如电源适应　性变差、电感发热、成本增加等一系列　题．所以一般　选用电压和功率范围刚好能符合要求的、电感量最小　的电感器作为谐波抑制器　。　电器设备电源中的电流波形是与电源电压周期相　同的正弦波形，具有有效值测量功能的仪器才‘能对这　种波形参数进行准确测量．用电感器米抑制谐波是一　种比较实用可行的方法．采用谐波抑制电感器磁芯材　料特性的参数分析法，呵为应用于ＥＭＩ电器设备电源　滤波器中电感器的设计带米方便．　参考文献：　［１］　Ｍｅｎｇ　Ｊｉｎ，Ｍａ　Ｗｅｉｍｉｎｇ．Ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｉｘｅｄ　ｍｏｄｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ＥＭＩ　ｎｏｉｓｅ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃ　ＰＥＳＣ　０４　Ｃｏ　Ｇｅｒｍａｎｙ，２００４．　［２］　Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｇｅｏｒｇｅｒｉａｎ，Ｍａｒｋ　Ｉ．Ｍｏｎｔｒｏｓｅ，ｐｒｏｄｕｃｔ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｓｉｎｋ　ｄｉｌｅｍｍａ　ｏｆ　ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ　ｒａｄｉａｔｅｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｍａｘ一　一ｌｍｌ—ｚｌｎｇ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｏｌｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ［Ｃ］∥　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００３，１：１３４—１３７．　［３］　Ｓｈａｎ　Ｃｈａｏｌｏｎｇ，Ｍａ　Ｗｅｉｍｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｔｉｅｊｕｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｃｏｍｍｏｎ—ｍｏｄｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ＥＭＩ　ｏｆ　ＤＣ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｗｉｔｈ　ａ　ｔｈｒｅｅ　ｐｈａｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２００３，２３　（４）：１３４～ｌ３９．　［４］Ｈｕａｎｇ　Ｃｈｉｙｕａｎ，Ｗｕ　Ｃｈａｎｇｃｈｅｎｇ．Ｔｈｅ　ＥＭ１　ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ　ｅｆｅｃ—　ｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ＰＣ／ＡＢＳ　ｎｉｃｋｅｌ－－ｃｏａｔｅｄ－－ｃａｒｂｏｎ－　ｉｆｂｒｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　［Ｊ］．Ｅｕｒ　Ｐｏｌｕｍ－，，２０００，３６：２７２９　２７３７．　［５］Ｈｕｏ　Ｗｅｉｑｉａｎｇ．Ｈｙｐｅｒｈｙｎｘ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍａｔｅｒｉｌａ　ｉｎ　ＥＭＣ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．ＳＡＦＥＴＹ　ａｍｌ　ＥＭＣ，２００５，６：　８７—８９．　［６］　Ｃｈｅｎ　Ｂｉｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＥＭＩｄｕｅ　ｔｏｏ　ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎ　ａ　ＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ－ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２００３，２３（２）：５８　２，　（责任编辑：陈家修）